Г.П. Петраков, cоветник генерального директора Группы компаний «Сто Третий Трест»
В последнее десятилетие в России возрос интерес
к полимерным (пластиковым) трубам с точки зрения
их применения в тепловых сетях районных поселений
и кварталов крупных городов. Эксплуатационные
свойства пластиковых труб позволяют производить
их укладку в грунт практически без учета теплового расширения, с небольшими радиусами изгиба,
при этом отсутствует необходимость установки неподвижных опор, кроме мест установки запорной
арматуры, отводов, тройников и вводов в здания и
сооружения.
Наиболее перспективными пластиковыми труба- ми являются трубы из PE-RT (polyethylene of raised temperature resistance – полиэтилен с повышенным температурным сопротивлением и устойчивостью к старению) и PE-X (cross-linked polyethylene – сшитый полиэтилен или полиэтилен высокой плотности с перекрестными связями).
Трубы из PE-RT обладают долгосрочной гидростатической устойчивостью (способность препятствовать истечению жидкости под влиянием давления) при высоких температурах, не имея при этом молекулярной сшивки. Это выражается в значительных технологических преимуществах (возможность сварки) по сравнению со сшиваемыми системами (PE-X), а также в снижении стоимости труб.
Надежность систем теплоснабжения напрямую зависит от срока службы теплопроводов, который в среднем по стране пока не превышает 15-ти лет.
Применение пластиковых труб позволяет увеличивать
срок службы до 30-ти лет и более, поэтому определение нормативного срока службы пластиковых труб
представляет большой практический интерес.
Полимерные трубы имеют жесткие ограничения
по рабочему давлению, напрямую зависящему от
средней температуры всего срока эксплуатации и
от максимального диаметра трубы. Расчет эксплуатационных характеристик (кольцевое напряжение,
максимальное давление) производится по методу расчета накопленных повреждений с помощью правила Майнера, разработанному в рамках DIN EN
ISO 13760.
Один из критериев срока службы – это устойчивость к напряжению от постоянного внутреннего давления при заданном температурном профиле. Она может быть исследована с помощью гидростатического и термического стресс-тестирования.
Определение зависимостей напряжения от времени разрыва трубы, их применение для оценки срока службы пластиковой трубы разработаны в рамках стандартов ANSI/ASTM D 2837 и ISO 9080.
Испытания образцов пластиковой трубы на гидростатическую устойчивость при различных внутренних давлениях и температурах в лабораторных условиях позволяют получить данные о времени разрыва трубы, однако эти данные не образуют прямой линии при построении графика в декартовых координатах. Представление напряжения и времени разрыва в логарифмических координатах привело к линеаризации графика и возможности использования регрессионного анализа для прогнозирования срока службы пластиковой трубы.
Действительным обоснованием по ISO 9080 максимального срока службы пластиковой трубы в 50 лет могут служить данные, полученные в течение установленного испытательного периода и при определенной максимальной температуре.
При анализе результатов испытаний по ISO 9080
получают четыре коэффициента, описывающие скорость регрессии кольцевого напряжения, которые
необходимы для расчета максимального рабочего
давления при заданном SDR (standard dimensional
ratio – стандартное размерное отношение, численно
равное отношению номинального наружного диаметра трубы к номинальной толщине стенки). Максимальное рабочее давление для пластиковой трубы
определяется после расчета максимального срока
службы при заданном температурном профиле.
Для пластиковых труб, применяемых в российских системах теплоснабжения, определение максимального срока службы должно выполняться согласно методике, приведенной в Приложении А ГОСТ Р 52134, с помощью правила Майнера (см. DIN EN ISO 13760). Качество ППУ изоляции пластиковых труб регламентируется ГОСТ Р 54468 и DIN EN 15632.
Значение срока службы при непрерывном действии определенных параметров теплоносителя для
пластиковых труб, применяемых в тепловых сетях,
должно соответствовать 5-му классу эксплуатации
по ГОСТ Р 52134 и DIN EN 15632.
Для примера выполнения расчета в качестве технических характеристик пластиковой трубы в ППУ изоляции можно рассмотреть характеристики трубы ПЛАСТФЛЕКС™ SDR 7,4 из Dowlex™ PE-RT тип II по ТУ 2248-017-70629337-2010 ООО «Изосталь» (г.Санкт-Петербург). При выполнении расчета по правилу Майнера для подающего трубопровода тепловой сети можно воспользоваться примерами, приведенными в Приложении А к ГОСТ Р 52134 и Приложении Е к РМД 41-11-2012 Санкт- Петербург.
Для каждой температуры и кольцевого напряжения определяется время, которое труба может выдержать без разрушения с помощью логарифмической
зависимости (см. DIN EN ISO 22391-2):
Если в качестве технических характеристик
пластиковой трубы в ППУ изоляции рассмотреть
характеристики трубы ПЛАСТФЛЕКС™ SDR 7,4
из PE-RT тип II DOWLEX™ 2388, то время, которое труба может выдержать без разрушения, вычисляется через логарифмическую зависимость (см.
Report EXOVA/P-11/73):
Если в качестве технических характеристик пластиковой трубы в ППУ изоляции рассмотреть характеристики трубы ИЗОПРОФЛЕКС SDR 7,4 из PE-X
по ТУ 2248-021-40270293-2005 (для температуры
до 95°С) либо по ТУ 2248-001-48532278-2011 (для
температуры до 115°С, без учета армирующей сетки
Kevlar) ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» (Москва), то
время, которое труба может выдержать без разрушения, вычисляется через следующие логарифмические
зависимости:
Формула (3) применима для температур 10-95°С (см. ГОСТ Р 52134, DIN EN ISO 15875-2), формула (4) – для температур от 95-110°С (coefficients of reference curve for expected strength from programof «EXOVA» according to Figure 1 of DIN EN ISO 15875-2).
Методом последовательных приближений, изменяя максимальное рабочее давление, находится
вариант, при котором максимальный срок службы
пластиковой трубы составляет 50 лет.
В расчете по правилу Майнера время, которое
труба может выдержать без разрушения, может
превышать 100 лет, что не допустимо в рамках регрессионного анализа по ISO 9080. Если учесть это
ограничение по времени (до 100 лет) и вычислить
максимально допустимое рабочее давление при
разных температурах до 110°С, то тогда можно вы-
полнить корректное сравнение прочностных характеристик рассматриваемых пластиковых труб.
Для многослойной пластиковой трубы (например,
пластиковая труба – армирующая сетка Kevlar –
пластиковая оболочка; пластиковая труба – алюминиевая труба – пластиковая оболочка) в расчете
необходимо использовать логарифмические зависимости длительной прочности, подтвержденные
результатами тестирования по ISO 21003-2 и ISO
9080 Ганноверским институтом централизованного
теплоснабжения FFI (Fernwärme Forschungsinstitut
Hannover) или другой независимой аккредитован-
ной испытательной лабораторией. В России пока
не имеется аккредитованных лабораторий, которые
могли бы проводить испытания при температуре
более 95°С.
Если система однослойная, то такие испытания
можно провести один раз и в дальнейшем проводить только краткосрочные испытания для контроля
качества труб. Максимальное рабочее давление для
многослойной пластиковой трубы определяется со-
гласно ISO 21003-2.
В расчете термической стабильности при действии
постоянного внутреннего давления многослойной
пластиковой трубы нельзя использовать данные
теплостойкости отдельных компонентов, а только
данные, полученные при тестировании всей конструкции целиком. Это замечание касается трубы
ИЗОПРОФЛЕКС-А по ТУ 2248-001-48532278-2011 ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» (для температуры
до 115 °С).
Для каждого типоразмера многослойной трубы
должны быть представлены свои логарифмические
зависимости длительной прочности, полученные при
проведении испытаний по ISO 9080.
Основной отечественный стандарт на напорные
трубы из термопластов и соединительные детали к
ним для систем водоснабжения и отопления (ГОСТ
Р 52134) хотя и разработан с учетом ISO 9080, но
при этом не соответствует международному стандарту
в части требований к испытательному периоду. Так,
время испытаний по ГОСТ Р 52134 на термическую
стабильность при действии постоянного внутреннего
давления составляет всего 8760 часов (1 год) при
температуре 110°С.
Основанием для этого, вероятно, послужил тот
факт, что в международных стандартах на пластиковые трубы (см. DIN EN ISO 15875-2, DIN EN ISO
22391-2) приводятся логарифмические зависимости
времени, полученные при обосновании по ISO 9080
максимального срока службы в 30 лет при температуре
до 75°С или в 50 лет при температуре до 70°С.
Требования в DIN EN ISO 15875-2 и DIN EN ISO
22391-2 к периоду тестирования при испытаниях являются недостаточными, так как согласно DIN EN 15632
планируемый срок службы пластикового трубопровода
в ППУ изоляции должен быть не менее 30 лет при
температуре до 95°С, соответственно, период тестирования на длительную прочность по ISO 9080 должен
составлять не менее 7,5 лет, а не 1 год, как заявлено в
DIN EN ISO 15875-2 и DIN EN ISO 22391-2.
В другом отечественном стандарте СТО РО-
СТЕХЭКСПЕРТИЗА 10.001 в п. 10.2.4 декларируется формула (5) допустимого рабочего давления
армированной трубы из сшитого полиэтилена
ИЗОПРОФЛЕКС-А (ЗАО «Завод АНД Газтруб-
пласт»):
Интересно заметить, что в «Библиографии» СТО
РОСТЕХЭКСПЕРТИЗА 10.001 дана ссылка на DIN
EN ISO 15875-2 (это стандарт для однослойной
трубы из PE-X, хотя ИЗОПРОФЛЕКС-А является
многослойной трубой). Никаких других обоснований
авторы СТО не приводят.
Достижение безаварийного времени эксплуатации тепловых сетей сроком в 50 лет – важнейшая задача программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности для российских систем теплоснабжения.
Анализ эксплуатационных характеристик теплопроводов из PE-RT и PE-X, а также расчет срока
службы пластиковых труб при температуре до 110
°С показывают очевидные преимущества материала
PE-RT тип II DOWLEX™ 2388.
